镱离子光频标（光钟）

¹⁷¹Yb⁺离子光钟具有两条钟跃迁谱线，均被推荐为国际次级秒定义。基于同一体系的两条跃迁可进行频率比对，用于验证精细结构常数随时间变化和超轻暗物质探测。高精度镱离子光钟频率比对也是开展厘米级大地高程测量、引力红移检验、检验洛伦兹不变性等前沿研究的核心精密测量设备。镱离子电四极跃迁的自然线宽为3Hz，电八极跃迁的自然线宽为nHz量级，使得基于电八极跃迁的光钟在原则上不受原子自然线宽限制。电四极对外场更为敏感，实验上可采用电四极跃迁评估外场对电八极跃迁的影响。实验中冷却与钟探询激光均采用可见光波段商用成熟半导体激光器，可实现离子光钟的集成化可搬运，具备突破 10^-19量级系统不确定度的理论潜力，是实现超高精度频率测量的理想实验体系。

任务一：实验室型镱离子光钟

目前，实验室具备常温型 ¹⁷¹Yb⁺单离子光钟，针对常温环境下各类系统频移开展了全维度抑制与精准量化评估。实验系统采用双层坡莫合金复合磁屏蔽结构，大幅降低杂散磁场带来的频移。采用自研ULE超稳腔及配套光学隔振台、加装恒温控制系统，实现线宽1 Hz以内的镱离子钟激光，有效降低 Dick 效应带来的测量噪声，逼近光谱探测理论极限。建立覆盖黑体辐射频移、微运动频移、电四极频移、塞曼频移、背景气体碰撞等全部误差项的评估流程。

图1.镱单离子光钟实验系统照片

任务二：镱多离子光钟

为突破单离子光钟信噪比低、测量平均时间长等局限，实验室自主搭建多镱离子光钟实验平台，采用分段线性离子阱，实现在同一离子阱内同时囚禁多个¹⁷¹Yb⁺离子，真空度稳定维持在 10⁻¹⁰ Pa 量级，有效抑制背景气体碰撞损耗，实现离子长时间稳定囚禁。采用EIT冷却技术，结合微运动补偿，有效抑制多离子的运动频移。采用动态解耦技术降低电四极频移、塞曼频移、张量ac stark频移等非均匀展宽。多离子具有高信噪比优势，可大幅压缩频率测量噪声，缩短探询时间，突破单离子光钟稳定度极限。目前已实现两个离子的闭环锁定，成功研制了多离子光钟原理样机，填补多离子囚禁光钟实验研究空白。

图2.镱多离子光钟实验系统照片